JP6812019B2

JP6812019B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP6812019B2
Application number: JP2018540539A
Authority: JP
Inventors: 一寿宮内; 尋史佐藤; 澤田　健; 健澤田; 秀幸杉山
Original assignee: Eliiy Power Co Ltd
Current assignee: Eliiy Power Co Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2036-09-21
Also published as: JPWO2018055702A1; WO2018055702A1

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

近年、電池は、様々な用途に用いられ、特に大容量の二次電池は、電気自動車用電源や電力貯蔵などの用途に用いられている。
二次電池を単電池で使用すると、機器が必要とする電圧よりも二次電池の電圧が低い場合がある。このような場合、複数の二次電池を直列に接続し供給電圧を所望の電圧まで高くする必要がある。また、単電池では機器が必要とする電気量を十分に供給できない場合がある。このような場合、複数の二次電池を並列に接続し供給電気量を所望の量まで大きくする必要がある。

このため、直列又は並列に接続した複数の二次電池を筐体に収容した蓄電装置から機器に電力を供給している。また、複数の二次電池の充放電を監視する電池監視ユニット（BMU）が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。BMUは、通常、各電池の電圧などを測定し、充・放電時の過充電、過放電を検出する。また、BMUは、各電池の電圧バランスを維持する機能も有することができる。通常、BMUは、集積回路、抵抗器、キャパシタなどを実装したプリント基板である。
また、プリント基板の配線がアンテナとなり外来電磁波ノイズが生じ、このノイズが集積回路の誤作動を生じさせることが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１５−８１２１号公報特開２０１３−１５３５９６号公報

外来電磁波ノイズにより集積回路の誤作動が生じると、電池監視部により二次電池の充放電を正常に監視することができず、蓄電装置の安全性の低下、寿命特性の低下などを引き起こすおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外来電磁波ノイズによる集積回路の誤作動を抑制できる蓄電装置を提供する。

本発明は、二次電池と、前記二次電池の充放電を監視する電池監視部と、前記二次電池及び前記電池監視部を収容する筐体とを備え、前記筐体は、前記二次電池を収容する容器と、前記容器上に配置された上蓋とを備え、前記電池監視部は、上面及び下面を有するプリント基板と、前記プリント基板の上面及び下面に実装された複数の電子部品とを備え、前記プリント基板は、絶縁体基板と配線とを含み、かつ、前記二次電池と前記上蓋との間に配置され、複数の電子部品は、前記二次電池の電圧を測定するように設けられた測定用集積回路を含み、前記測定用集積回路は、前記プリント基板の下面に実装され、前記プリント基板は、前記上蓋の主要上面と前記測定用集積回路との間に前記絶縁体基板が位置するように配置されたことを特徴とする蓄電装置を提供する。

本発明の蓄電装置は、二次電池と、二次電池の充放電を監視する電池監視部と、二次電池及び電池監視部を収容する筐体とを備える。このため、二次電池と電池監視部とを筐体内で電気的に接続することができ、蓄電装置を小型化することや部品数を低減することができる。
前記筐体は、二次電池を収容する容器と、容器上に配置された上蓋とを備える。このため、容器内に二次電池を入れた後、容器の電池挿入用開口を上蓋で塞ぐことが可能になり、筐体内に二次電池を収容することが可能になる。

前記電池監視部は、上面及び下面を有するプリント基板と、プリント基板の上面及び下面に実装された複数の電子部品とを備える。また、プリント基板は、絶縁体基板と配線とを含む。さらに、複数の電子部品は、二次電池の電圧を測定するように設けられた測定用集積回路を含む。この両面実装プリント基板により、二次電池のセル電圧の測定値に基づき二次電池の充放電を監視することが可能になり、蓄電装置の安全性を向上させることができる。
前記プリント基板は、二次電池と上蓋との間に配置される。このため、容器に二次電池を入れた後、二次電池の上にプリント基板を固設し、その上部を上蓋で覆うことができる。このため、二次電池及びプリント基板を筐体中にコンパクトに収容することが可能になる。また、二次電池と電池監視部との間の配線距離を短くすることができる。
前記測定用集積回路は、プリント基板の下面に実装される。また、プリント基板は、上蓋の主要上面と測定用集積回路との間に絶縁体基板が位置するように配置される。このため、絶縁体基板、プリント基板の上面に実装された電子部品、及びプリント基板の上面の配線により、上蓋の主要上面を通過して測定用集積回路の周辺の配線に達する外来電磁波の強度を弱めることができ、測定用集積回路の周辺の配線がアンテナとなり生じる外来電磁波ノイズを弱めることができる。この結果、測定用集積回路の誤作動を抑制することができる。電池監視部の中心的な役割を果たしている測定用集積回路の誤作動を抑制することにより、電池監視部の誤作動を抑制することができ、蓄電装置の安全性及び寿命特性を向上させることができる。

本発明の一実施形態の蓄電装置の概略斜視図である。本発明の一実施形態の蓄電装置に含まれる中蓋、保護ケース及び電池監視部の概略上面図である。図１、２の破線Ａ−Ａにおける蓄電装置の概略断面図である。

本発明の蓄電装置は、二次電池と、前記二次電池の充放電を監視する電池監視部と、前記二次電池及び前記電池監視部を収容する筐体とを備え、前記筐体は、前記二次電池を収容する容器と、前記容器上に配置された上蓋とを備え、前記電池監視部は、上面及び下面を有するプリント基板と、前記プリント基板の上面及び下面に実装された複数の電子部品とを備え、前記プリント基板は、絶縁体基板と配線とを含み、かつ、前記二次電池と前記上蓋との間に配置され、複数の電子部品は、前記二次電池の電圧を測定するように設けられた測定用集積回路を含み、前記測定用集積回路は、前記プリント基板の下面に実装され、前記プリント基板は、前記上蓋の主要上面と前記測定用集積回路との間に前記絶縁体基板が位置するように配置されたことを特徴とする。

前記プリント基板に実装された複数の電子部品には、プリント基板の下面に実装されたマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）が含まれることが好ましい。また、プリント基板は、上蓋の主要上面とＭＣＵとの間に絶縁体基板が位置するように配置されたことが好ましい。このため、ＭＣＵの周辺の配線がアンテナとなり生じる外来電磁波ノイズを弱めることができ、ＭＣＵの誤作動を抑制することができる。電池監視部の中心的な役割を果たしているＭＣＵの誤作動を抑制することにより、電池監視部の誤作動を抑制することができ、蓄電装置の安全性及び寿命特性を向上させることができる。
本発明の蓄電装置は電池監視部を収容する保護ケースを備えることが好ましく、保護ケースはプリント基板と二次電池との間に配置されたことが好ましい。このことにより、二次電池と外部接続端子との間の配線に電流が流れることにより生じる磁界が測定用集積回路又はマイクロコントローラユニットの誤作動を引き起こすことを抑制することができる。

以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。

図１は本実施形態の蓄電装置の概略斜視図である。図２は、本実施形態の蓄電装置に含まれる中蓋、保護ケース及び電池監視部の概略上面図であり、上蓋を取り外した状態の本実施形態の蓄電装置の概略上面図である。図３は、図１、２の破線Ａ−Ａにおける蓄電装置の概略断面図である。

本実施形態の蓄電装置４０は、二次電池２と、二次電池２の充放電を監視する電池監視部３と、二次電池２及び電池監視部３を収容する筐体１とを備え、筐体１は、二次電池２を収容する容器５と、容器５上に配置された上蓋７とを備え、電池監視部３は、上面２８及び下面２９を有するプリント基板１２と、プリント基板１２の上面２８及び下面２９に実装された複数の電子部品１１とを備え、プリント基板１２は、絶縁体基板１３と配線１０とを含み、かつ、二次電池２と上蓋７との間に配置され、複数の電子部品１１は、二次電池２の電圧を測定するように設けられた測定用集積回路８を含み、測定用集積回路８は、プリント基板１２の下面に実装され、プリント基板１２は、上蓋７の主要上面と測定用集積回路８との間に絶縁体基板１３が位置するように配置されたことを特徴とする。また、蓄電装置４０は、保護ケース４を備えることができる。
以下、本実施形態の蓄電装置４０について説明する。

１．蓄電装置
本実施形態の蓄電装置４０は、例えば、自動車の電源、自動二輪車の電源、太陽光発電の蓄電、バックアップ電源などに用いられる蓄電装置である。また、蓄電装置４０は、密閉型蓄電装置又は車載用蓄電装置であってもよい。

２．二次電池
蓄電装置４０は、筐体１に収容された少なくとも１つの二次電池２を備える。二次電池２は、筐体１中に収容された密閉型電池であってもよい。筐体１に収容された複数の二次電池２は、並列接続されていてもよく、直列接続されていてもよい。また、複数の二次電池２は、配線により電気的に接続されてもよく、隣接する２つの電池２の電池端子３８を接触又は接合させることにより電気的に接続されてもよい。

二次電池２は、例えば、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、ニッケル・水素電池、ニッケル・カドミウム電池等である。また、二次電池２は、角型であってもよく、円筒型であってもよく、パウチ型であってもよい。また、二次電池２は、正極活物質を有する正極２１と、負極活物質を有する負極２２と、正極２１と負極２２とに挟まれたセパレータ２３と、非水電解質２４と、正極２１と負極２２とセパレータ２３と非水電解質２４とを収容する電池容器２５とを備えることができる。また、二次電池２は電池端子３８（プラス端子又はマイナス端子）を有する。

３．筐体
蓄電装置４０は、二次電池２、電池監視部３を収容する筐体１を備える。また、筐体１は密閉構造を有することができる。また、筐体１は、保護ケース４を収容することができる。また、筐体１の材料は、硬質プラスチックなどのプラスチックであってもよい。
筐体１は、少なくとも１つの二次電池２を収容する容器５と、容器５上に配置された中蓋６と、中蓋６上に配置された上蓋７とを備えることができる。これらの筐体１を構成する部材を接着する前に容器５中に少なくとも１つの二次電池２を入れることにより、密閉構造を有する筐体１中に少なくとも１つの二次電池２を収容することができる。

中蓋６は、蓄電装置４０の外部接続端子２７と二次電池２とを電気的に接続する配線１６又は二次電池２と電池監視部３とを電気的に接続する配線１６が設けられた配線盤として機能することができる。
また、中蓋６は、二次電池２の電池端子３８が貫通するスリット３７を有することができ、電池端子３８は、スリット３７を通るように設けることができ、中蓋６の上面に設けられた電池側の配線端子部１８と接合することができる。このことにより、中蓋６に設けられた配線１６と二次電池２とを電気的に接続することができる。
中蓋６は、上蓋７に向かう突起部３３を有することができる。突起部３３により保護ケース４の底部を支えることにより、保護ケース４及び電池監視部３が撓むことを抑制することができる。

筐体１を構成する各部材は、筐体１の内部が密閉空間となるように接着することができる。このことにより、筐体１内に水などが浸入することを防止することができ、蓄電装置４０の安全性及び寿命特性を向上させることができる。筐体１を構成する各部材は、例えば、接着剤により接着することができる。なお、筐体１を構成する２つの部材は、一方の部材に設けられた凸部３６を他方の部材に設けられた凹部に組み合わせ、凸部３６と凹部とを接着することにより接合することができる。
筐体１は、安全弁を備えてもよい。このことにより、二次電池２において発生したガスが筐体１内に放出され筐体１の内部圧力が上昇した場合でも、安全弁からガスを筐体１の外部に放出することができる。

４．電池監視部
電池監視部３は、少なくとも１つの二次電池２の充放電を監視する部分である。電池監視部３は、各電池２のプラス端子及びマイナス端子（電池端子３８）とそれぞれ電気的に接続することができる。例えば、電池監視部３は、端子部材１４、ＢＭＵ側配線端子部１７、配線１６、電池側配線端子部１８を介して電池端子３８と電気的に接続することができる。このことにより、電池監視部３により各電池２の電圧を測定することが可能になる。

電池監視部３は、上面２８及び下面２９を有するプリント基板（ＰＣＢ）１２と、プリント基板１２の上面２８及び下面２９に実装された複数の電子部品１１とを備える。プリント基板１２は、両面実装プリント基板であってもよい。プリント基板１２に実装される電子部品１１は、集積回路（ＩＣ）、抵抗器、キャパシタ、ヒューズ３４、リレー、バランサーなどである。電子部品１１は、表面実装、スルーホール実装などによりプリント基板１２に固定することができる。また、プリント基板１２は、絶縁体基板１３上に配線１０を有しており、この配線１０により実装された電子部品１１を電気的に接続し絶縁体基板１３上に電子回路を形成する。また、プリント基板１２は、複数の基板を張り合わせた多層基板、又は層間接続をして導体層を積み上げたビルドアップ基板であってもよい。

プリント基板１２は、二次電池２と上蓋７との間に配置される。このため、容器５中に二次電池２を入れた後、二次電池２の上にプリント基板１２を固設し、その上部を上蓋７で覆うことができる。このため、二次電池２及びプリント基板１２を筐体１中にコンパクトに収容することが可能になる。また、二次電池２と電池監視部３との間の配線距離を短くすることができる。また、プリント基板１２は、上面２８が上蓋７側となり下面２９が二次電池２側となるように配置することができる。また、プリント基板１２は、上蓋７の主要上面と実質的に平行になるように配置することができる。

プリント基板１２に実装される複数の電子部品１１は、二次電池２の電圧を測定するように設けられた測定用集積回路８を含む。このことにより、二次電池２の電圧の測定値に基づき二次電池２の充放電を監視することが可能になり、蓄電装置４０の安全性を向上させることができる。測定用集積回路８は、二次電池２の電圧を測定し電圧値のデータを出力するように設けることができる。また、測定用集積回路８は、容器５に収容された各二次電池２の電圧を測定するように設けることができる。また、測定用集積回路８は、後述するマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）９の機能を有する集積回路であってもよい。また、プリント基板１２は、複数の測定用集積回路８が実装されてもよい。

測定用集積回路８は、第１及び第２入力端子を有することができ、第１入力端子が二次電池２のプラス端子と電気的に接続することができ、第２入力端子が二次電池２のマイナス端子と電気的に接続することができる。このことにより、この二次電池２のセル電圧が測定用集積回路８に印加される。なお、測定用集積回路８と二次電池２との間にノイズフィルタを設けてもよい。
測定用集積回路８は、第１及び第２入力端子間の電圧を測定し、セル電圧の測定値（セル電圧値）を得るように設けることができる。また、測定用集積回路８は、出力端子からセル電圧値のデータを出力するように設けることができる。このような測定用集積回路８を設けることにより、二次電池２のセル電圧値をデータとして出力することができる。

電池監視部３は、プリント基板１２に実装されたマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）９を備えることができる。ＭＣＵ９は、ＣＰＵコア、メモリ、入出力回路を含むことができる。測定用集積回路８、ＭＣＵ９及びプリント基板１２は、測定用集積回路８が出力したセル電圧値のデータがＭＣＵ９に入力されるように設けることができ、また、容器５に収容された各二次電池２のセル電圧値のデータがＭＣＵ９に入力されるように設けることができる。なお、ここでは、測定用集積回路８、ＭＣＵ９を別々の集積回路として説明しているが、これらの機能が１つの測定用集積回路８に集積されていてもよい。
ＭＣＵ９は、入力されたセル電圧値とメモリに記憶されていた電圧値とを比較するように設けることができる。また、ＭＣＵ９は、入力されたセル電圧値をメモリに記憶することができる。このことにより、ＭＣＵ９は、過充電、過放電、各二次電圧２のセル電圧のアンバランスなどを検出することができる。

電池監視部３は、ヒューズ３４又はリレーを有することができる。ヒューズ３４又はリレーは、二次電池２と外部接続端子２７との電気的接続を切断できるように設けられる。
ＭＣＵ９は、二次電池２の過充電を検出した場合に、二次電池２と外部接続端子２７との電気的接続を切断する信号をヒューズ３４又はリレーに出力することができる。このことにより、二次電池２の過充電が生じた場合に充電を中断させることができ、二次電池２が発熱することを防止することができる。

電池監視部３は、バランサーを有することができる。バランサーは、容器５に収容された各二次電池２のセル電圧を調整できるように設けられる。
ＭＣＵ９は、各二次電圧２のセル電圧のアンバランスを検出した場合に、各二次電圧２のセル電圧のバランスがよくなるようにセル電圧を調整する信号をバランサーに出力することができる。
以上のように電池監視部３は、容器５に収容された二次電池２の充放電を監視することができる。また、二次電池２の充放電の監視には、測定用集積回路８とＭＣＵ９が中心的な役割を果たしている。従って、測定用集積回路８又はＭＣＵ９に誤作動が生じると、蓄電装置４０の安全性、寿命特性などが低下する。

一方、放送電波、通信電波などとして電波が利用されている。また、様々な機器やケーブルが電磁波を発している。プリント基板１２の配線パターンがアンテナとなりこれらの外来電磁波を受信し、外来電磁波ノイズが発生する場合がある。この外来電磁波ノイズにより電池監視部３が誤作動する場合がある。なお、外来電磁波とは、蓄電装置４０の外部で発生した電磁波が空間を伝達し蓄電装置４０に到達する電磁波をいう。

測定用集積回路８は、プリント基板１２の下面に実装される。また、プリント基板１２は、上蓋７の主要上面と測定用集積回路８との間に絶縁体基板１３が位置するように配置される。このため、絶縁体基板１３、プリント基板１２の上面に実装された電子部品１１、及びプリント基板１２の上面の配線１０により、上蓋７の主要上面を通過して測定用集積回路８の周辺の配線１０に達する外来電磁波の強度を弱めることができ、測定用集積回路８の周辺の配線１０がアンテナとなり生じる外来電磁波ノイズを弱めることができる。この結果、測定用集積回路８の誤作動を抑制することができる。電池監視部３の中心的な役割を果たしている測定用集積回路８の誤作動を抑制することにより、電池監視部８の誤作動を抑制することができ、蓄電装置４０の安全性及び寿命特性を向上させることができる。なお、プリント基板１２の上面には、他の電子部品１１を実装することができる。また、電池監視部８に含まれるすべての測定用集積回路８がプリント基板１２の下面２９に実装されてもよい。

プリント基板１２は、下面２９にＭＣＵ９を実装することができる。また、プリント基板１２は、上蓋７の主要上面とＭＣＵ９との間に絶縁体基板１３が位置するように配置することができる。このため、ＭＣＵ９の周辺の配線１０に達する外来電磁波の強度を弱めることができ、ＭＣＵ９の周辺の配線１０がアンテナとなり生じる外来電磁波ノイズを弱めることができる。この結果、ＭＣＵ９の誤作動を抑制することができる。電池監視部３の中心的な役割を果たしているＭＣＵ９の誤作動を抑制することにより、電池監視部８の誤作動を抑制することができ、蓄電装置４０の安全性及び寿命特性を向上させることができる。

５．保護ケース
保護ケース４は、電池監視部３を収容するケースであり、筐体１に収容される。この保護ケース４を設けることにより、筐体１内の電池２を収容するスペースと電池監視部３を収容するスペースとを分離することができる。この構成により、電池２の液漏れが生じた場合でも、漏れ出た電解液が電池監視部３を収容した保護ケース４内に浸入することを抑制することができ、電池監視部３が損傷することを抑制することができる。このため、蓄電装置４０の安全性を向上させることができる。保護ケース４の材料は、例えば、硬質プラスチックである。
保護ケース４は、内部が密閉空間となるように設けることができる。このことにより、電池２の液漏れが生じた場合でも、漏れ出た電解液が電池監視部３を収容した保護ケース４内に浸入することを防止することができる。
蓄電装置４０は、保護ケース４と上蓋７とで挟持されたシール部材１９を備えることができる。このシール部材１９により、保護ケース４の内部を密封することができ、保護ケース４の内部を密閉空間とすることができる。

保護ケース４はプリント基板１２と二次電池２との間に配置することができる。このことにより、二次電池２と外部接続端子２７とを接続する配線と、測定用集積回路８又はＭＣＵ９との間に保護ケース４を配置することができ、前記配線に電流が流れることにより生じる磁界がプリント基板１２に影響を与えることを抑制することができる。このため、前記配線に電流が流れることにより生じる磁界が測定用集積回路８又はＭＣＵ９の誤作動を引き起こすことを抑制することができる。

実験
測定用集積回路８をプリント基板の下面に実装した電子回路基板を備えた蓄電装置Ａと、測定用集積回路８をプリント基板の上面に実装した電子回路基板を備えた蓄電装置Ｂとを作製した。その他の構成は、図１〜３に示した蓄電装置と同様に作製した。
携帯電話の電波が外来電磁波ノイズを生じさせることを模擬した試験を行った。具体的には、８００ＭＨｚ帯（７１０−９６０ＭＨｚ）と２ＧＨｚ帯（１９２０−２２００ＭＨｚ）の電波を上側から蓄電装置Ａ、Ｂに到達させ、電池監視部３が誤作動を起こすか否かを調べた。
その結果、蓄電装置Ａでは、電池監視部の誤作動を抑制することができたが、蓄電装置Ｂでは、電池監視部が誤作動を起こした。
この結果から、測定用集積回路８をプリント基板の下面に実装することにより電池監視部の誤作動を抑制できることがわかった。

１：筐体２、２ａ、２ｂ：二次電池３：電池監視部４：保護ケース５：容器６：中蓋７：上蓋８：測定用集積回路９：マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）１０：配線１１、１１ａ〜１１ｏ：電子部品１２：プリント基板１３：絶縁体基板１４、１４ａ〜１４ｆ：ＢＭＵ接続用端子部材１５：隔壁１６：配線１７、１７ａ〜１７ｆ：配線端子部（ＢＭＵ側）１８、１８ａ、１８ｂ：配線端子部（電池側）１９：シール部材２１：正極２２：負極２３：セパレータ２４：非水電解質２５：電池容器２７、２７ａ、２７ｂ：外部接続端子２８：上面２９：下面３１、３１ａ〜３１ｉ：ボルト３２：ナット３３：突起部３４：ヒューズ３６：接合用凸部３７、３７ａ、３７ｂ：スリット３８、３８ａ、３８ｂ：電池端子４０：蓄電装置

Claims

二次電池と、前記二次電池の充放電を監視する電池監視部と、前記二次電池及び前記電池監視部を収容する筐体とを備え、
前記筐体は、前記二次電池を収容する容器と、前記容器上に配置された上蓋とを備え、
前記電池監視部は、上面及び下面を有するプリント基板と、前記プリント基板の上面及び下面に実装された複数の電子部品とを備え、
前記プリント基板は、絶縁体基板と配線とを含み、かつ、前記二次電池と前記上蓋との間に配置され、
複数の電子部品は、前記二次電池の電圧を測定するように設けられた測定用集積回路を含み、
前記測定用集積回路は、前記プリント基板の下面に実装され、
前記プリント基板は、前記上蓋の主要上面と前記測定用集積回路との間に前記絶縁体基板が位置するように配置されたことを特徴とする蓄電装置。
複数の電子部品は、前記プリント基板の下面に実装されたマイクロコントローラユニットを含み、
前記プリント基板は、前記上蓋の主要上面と前記マイクロコントローラユニットとの間に前記絶縁体基板が位置するように配置された請求項１に記載の蓄電装置。
前記電池監視部を収容する保護ケースをさらに備え、
前記保護ケースは、前記プリント基板と前記二次電池との間に配置された請求項１又は２に記載の蓄電装置。